mirror of
https://git.intern.spaceteamaachen.de/ALPAKA/sta-peak.git
synced 2025-06-12 19:05:58 +00:00
Updated quaternion class, added attitude from tilt, started madgwick filter
This commit is contained in:
parent
059b356ec7
commit
97825c8afb
48
include/sta/math/algorithms/attitude/madgwick.hpp
Normal file
48
include/sta/math/algorithms/attitude/madgwick.hpp
Normal file
@ -0,0 +1,48 @@
|
|||||||
|
/*
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||||||
|
* madgwick.hpp
|
||||||
|
*
|
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* Created on: Jun 20, 2024
|
||||||
|
* Author: Dario
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|
*/
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|
||||||
|
#ifndef STA_MATHS_ATTITUDE_INTEGRATE_HPP
|
||||||
|
#define STA_MATHS_ATTITUDE_INTEGRATE_HPP
|
||||||
|
|
||||||
|
#include <sta/math/quaternion.hpp>
|
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namespace sta
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{
|
||||||
|
namespace math
|
||||||
|
{
|
||||||
|
class MadgwickFilter {
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public:
|
||||||
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/**
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|
* @brief Construct a new Madgwick Filter object
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|
*
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||||||
|
* @param n
|
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|
* @param alpha
|
||||||
|
*/
|
||||||
|
MadgwickFilter(Quaternion state, uint32_t n, float alpha);
|
||||||
|
|
||||||
|
/**
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||||||
|
* @brief Predicts the next step using rotation rate ingegration.
|
||||||
|
*
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|
* @param dt The time that passed since the last predict.
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|
* @param ox Rotation rate around the x axis in rad/s.
|
||||||
|
* @param oy Rotation rate around the y axis in rad/s.
|
||||||
|
* @param oz Rotation rate around the z axis in rad/s.
|
||||||
|
*/
|
||||||
|
void predict(float dt, float ox, float oy, float oz);
|
||||||
|
|
||||||
|
void correct(float dx, float dy, float dz);
|
||||||
|
private:
|
||||||
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Quaternion state_;
|
||||||
|
uint32_t n_;
|
||||||
|
float alpha_;
|
||||||
|
};
|
||||||
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} // namespace math
|
||||||
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
#endif /* STA_MATHS_ATTITUDE_INTEGRATE_HPP */
|
@ -1,23 +0,0 @@
|
|||||||
/*
|
|
||||||
* slerp.hpp
|
|
||||||
*
|
|
||||||
* Created on: Jun 19, 2024
|
|
||||||
* Author: Dario
|
|
||||||
*/
|
|
||||||
|
|
||||||
#ifndef STA_MATHS_ATTITUDE_SLERP_HPP
|
|
||||||
#define STA_MATHS_ATTITUDE_SLERP_HPP
|
|
||||||
|
|
||||||
#include <sta/math/quaternion.hpp>
|
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||||||
|
|
||||||
namespace sta
|
|
||||||
{
|
|
||||||
namespace math
|
|
||||||
{
|
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||||||
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|
||||||
Quaternion slerp(Quaternion q1, Quaternion q2, float beta);
|
|
||||||
|
|
||||||
} // namespace math
|
|
||||||
} // namespace sta
|
|
||||||
|
|
||||||
#endif /* STA_MATHS_ATTITUDE_SLERP_HPP*/
|
|
22
include/sta/math/algorithms/attitude/tilt.hpp
Normal file
22
include/sta/math/algorithms/attitude/tilt.hpp
Normal file
@ -0,0 +1,22 @@
|
|||||||
|
/*
|
||||||
|
* tilt.hpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* Created on: Jun 20, 2024
|
||||||
|
* Author: Dario
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||||||
|
*/
|
||||||
|
|
||||||
|
#ifndef STA_MATHS_ATTITUDE_TILT_HPP
|
||||||
|
#define STA_MATHS_ATTITUDE_TILT_HPP
|
||||||
|
|
||||||
|
#include <sta/math/quaternion.hpp>
|
||||||
|
|
||||||
|
namespace sta
|
||||||
|
{
|
||||||
|
namespace math
|
||||||
|
{
|
||||||
|
Quaternion getTiltFromAcceleration(float ax, float ay, float az);
|
||||||
|
|
||||||
|
} // namespace math
|
||||||
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
||||||
|
#endif /* STA_MATHS_ATTITUDE_TILT_HPP */
|
@ -26,11 +26,18 @@ namespace sta
|
|||||||
|
|
||||||
Quaternion normalized();
|
Quaternion normalized();
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& quat);
|
||||||
Quaternion operator+(const Quaternion& quat);
|
Quaternion operator+(const Quaternion& quat);
|
||||||
Quaternion operator*(float scalar);
|
|
||||||
public:
|
public:
|
||||||
float x, y, z, w;
|
float x, y, z, w;
|
||||||
};
|
};
|
||||||
|
Quaternion operator+(const Quaternion& q1, const Quaternion& q2);
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& q1, const Quaternion& q2);
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& quat, float scalar);
|
||||||
|
Quaternion operator*(float scalar, const Quaternion& quat);
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& quat, double scalar);
|
||||||
|
Quaternion operator*(double scalar, const Quaternion& quat);
|
||||||
} // namespace math
|
} // namespace math
|
||||||
} // namespace sta
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
||||||
|
@ -6,7 +6,6 @@
|
|||||||
*/
|
*/
|
||||||
|
|
||||||
#include <sta/math/algorithms/attitude/integrate.hpp>
|
#include <sta/math/algorithms/attitude/integrate.hpp>
|
||||||
#include <sta/math/algorithms/attitude/slerp.hpp>
|
|
||||||
#include <sta/math/linalg/matrix.hpp>
|
#include <sta/math/linalg/matrix.hpp>
|
||||||
|
|
||||||
#include <math.h>
|
#include <math.h>
|
||||||
@ -37,7 +36,8 @@ namespace sta
|
|||||||
oy *= (M_PI / 180.0f);
|
oy *= (M_PI / 180.0f);
|
||||||
oz *= (M_PI / 180.0f);
|
oz *= (M_PI / 180.0f);
|
||||||
|
|
||||||
float norm = sqrt(fmax(ox*ox + oy*oy + oz*oz, 0.000001));
|
float norm = sqrt(ox*ox + oy*oy + oz*ox);
|
||||||
|
|
||||||
float dt2 = dt / 2;
|
float dt2 = dt / 2;
|
||||||
float cosDt2 = cos(norm * dt2);
|
float cosDt2 = cos(norm * dt2);
|
||||||
float sinDt2 = 1/norm * sin(norm * dt2);
|
float sinDt2 = 1/norm * sin(norm * dt2);
|
||||||
|
35
src/algorithms/attitude/madgwick.cpp
Normal file
35
src/algorithms/attitude/madgwick.cpp
Normal file
@ -0,0 +1,35 @@
|
|||||||
|
/*
|
||||||
|
* madgwick.cpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* Created on: Jun 20, 2024
|
||||||
|
* Author: Dario
|
||||||
|
*/
|
||||||
|
|
||||||
|
#include <sta/math/algorithms/attitude/madgwick.hpp>
|
||||||
|
|
||||||
|
namespace sta
|
||||||
|
{
|
||||||
|
namespace math
|
||||||
|
{
|
||||||
|
MadgwickFilter::MadgwickFilter(Quaternion state, uint32_t n, float alpha)
|
||||||
|
: state_{state.normalized()},
|
||||||
|
n_{n},
|
||||||
|
alpha_{alpha}
|
||||||
|
{
|
||||||
|
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void MadgwickFilter::predict(float dt, float ox, float oy, float oz)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
state_ = state_ + 0.5f * (state_ * Quaternion(0, ox, oy, oz)) * dt;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void MadgwickFilter::correct(float dx, float dy, float dz)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
} // namespace math
|
||||||
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
@ -1,36 +0,0 @@
|
|||||||
/*
|
|
||||||
* slerp.cpp
|
|
||||||
*
|
|
||||||
* Created on: Jun 19, 2024
|
|
||||||
* Author: Dario
|
|
||||||
*/
|
|
||||||
|
|
||||||
#include <sta/math/algorithms/attitude/slerp.hpp>
|
|
||||||
#include <sta/math/utils.hpp>
|
|
||||||
|
|
||||||
namespace sta
|
|
||||||
{
|
|
||||||
namespace math
|
|
||||||
{
|
|
||||||
Quaternion slerp(Quaternion q1, Quaternion q2, float alpha)
|
|
||||||
{
|
|
||||||
float dot = q1.w * q2.w + q1.x * q2.x + q1.y * q2.y + q1.z * q2.z;
|
|
||||||
|
|
||||||
if (dot < 0.0)
|
|
||||||
{
|
|
||||||
q1 = q1 * -1;
|
|
||||||
dot = -1;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
float theta = std::acos(clip(dot, -1, 1));
|
|
||||||
|
|
||||||
if (theta < 0.00001)
|
|
||||||
{
|
|
||||||
return q1;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
return (q1 * std::sin((1-alpha) * theta) + q2 * std::sin(alpha * theta)) * (1 / std::sin(theta));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
} // namespace math
|
|
||||||
} // namespace sta
|
|
||||||
|
|
42
src/algorithms/attitude/tilt.cpp
Normal file
42
src/algorithms/attitude/tilt.cpp
Normal file
@ -0,0 +1,42 @@
|
|||||||
|
/*
|
||||||
|
* tilt.cpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* Created on: Jun 20, 2024
|
||||||
|
* Author: Dario
|
||||||
|
*/
|
||||||
|
|
||||||
|
#include <sta/math/algorithms/attitude/tilt.hpp>
|
||||||
|
#include <sta/math/utils.hpp>
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
namespace sta
|
||||||
|
{
|
||||||
|
namespace math
|
||||||
|
{
|
||||||
|
Quaternion getTiltFromAcceleration(float ax, float ay, float az)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
float norm = std::sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);
|
||||||
|
|
||||||
|
if (norm != 0)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
ax /= norm;
|
||||||
|
ay /= norm;
|
||||||
|
az /= norm;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
float theta = std::atan(ay / az);
|
||||||
|
float phi = std::atan(-ax / std::sqrt(ay*ay + az*az));
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion tilt(
|
||||||
|
std::cos(phi / 2.0f) * std::cos(theta / 2.0f),
|
||||||
|
std::sin(phi / 2.0f) * std::cos(theta / 2.0f),
|
||||||
|
std::cos(phi / 2.0f) * std::sin(theta / 2.0f),
|
||||||
|
- std::sin(phi / 2.0f) * std::sin(theta / 2.0f)
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
return tilt;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} // namespace math
|
||||||
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
||||||
|
|
@ -31,18 +31,27 @@ namespace sta
|
|||||||
oy *= (M_PI / 180.0f);
|
oy *= (M_PI / 180.0f);
|
||||||
oz *= (M_PI / 180.0f);
|
oz *= (M_PI / 180.0f);
|
||||||
|
|
||||||
float norm = sqrt(fmax(ox*ox + oy*oy + oz*oz, 0.000001));
|
float norm = sqrt(ox*ox + oy*oy + oz*oz);
|
||||||
|
if (norm == 0)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return *this;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
float dt2 = dt / 2;
|
float dt2 = dt / 2;
|
||||||
|
|
||||||
float cosDt2 = cos(norm * dt2);
|
float cosDt2 = cos(norm * dt2);
|
||||||
float sinDt2 = 1/norm * sin(norm * dt2);
|
float sinDt2 = 1/norm * sin(norm * dt2);
|
||||||
|
|
||||||
|
// ox /= norm;
|
||||||
|
// oy /= norm;
|
||||||
|
// oz /= norm;
|
||||||
|
|
||||||
float qw = cosDt2*w + -sinDt2*ox*x + -sinDt2*oy*y + -sinDt2*oz*z;
|
float qw = cosDt2*w + -sinDt2*ox*x + -sinDt2*oy*y + -sinDt2*oz*z;
|
||||||
float qx = sinDt2*ox*w + cosDt2*x + sinDt2*oz*y + -sinDt2*oy*z;
|
float qx = sinDt2*ox*w + cosDt2*x + sinDt2*oz*y + -sinDt2*oy*z;
|
||||||
float qy = sinDt2*oy*w + -sinDt2*oz*x + cosDt2*y + sinDt2*ox*z;
|
float qy = sinDt2*oy*w + -sinDt2*oz*x + cosDt2*y + sinDt2*ox*z;
|
||||||
float qz = sinDt2*oz*w + sinDt2*oy*x + -sinDt2*ox*y + cosDt2*z;
|
float qz = sinDt2*oz*w + sinDt2*oy*x + -sinDt2*ox*y + cosDt2*z;
|
||||||
|
|
||||||
return Quaternion(qw, qx, qy, qz);
|
return Quaternion(qw, qx, qy, qz).normalized();
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
Quaternion Quaternion::unit()
|
Quaternion Quaternion::unit()
|
||||||
@ -62,15 +71,50 @@ namespace sta
|
|||||||
return Quaternion(w / n, x / n, y / n, z / n);
|
return Quaternion(w / n, x / n, y / n, z / n);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
Quaternion Quaternion::operator+(const Quaternion& quat)
|
Quaternion Quaternion::operator*(const Quaternion& quat)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
float rw = w * quat.w - x * quat.x + y * quat.y + z * quat.z;
|
||||||
|
float rx = w * quat.x + x * quat.w + y * quat.z - z * quat.y;
|
||||||
|
float ry = w * quat.y - x * quat.z + y * quat.w + z * quat.x;
|
||||||
|
float rz = w * quat.z - x * quat.y - y * quat.x + z * quat.w;
|
||||||
|
|
||||||
|
return Quaternion(rw, rx, ry, rz);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& q1, const Quaternion& q2)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
float rw = q1.w * q2.w - q1.x * q2.x + q1.y * q2.y + q1.z * q2.z;
|
||||||
|
float rx = q1.w * q2.x + q1.x * q2.w + q1.y * q2.z - q1.z * q2.y;
|
||||||
|
float ry = q1.w * q2.y - q1.x * q2.z + q1.y * q2.w + q1.z * q2.x;
|
||||||
|
float rz = q1.w * q2.z - q1.x * q2.y - q1.y * q2.x + q1.z * q2.w;
|
||||||
|
|
||||||
|
return Quaternion(rw, rx, ry, rz);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator+(const Quaternion& q1, const Quaternion& q2)
|
||||||
{
|
{
|
||||||
return Quaternion(w + quat.w, x + quat.x, y + quat.y, z + quat.z);
|
return Quaternion(q1.w + q2.w, q1.x + q2.x, q1.y + q2.y, q1.z + q2.z);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
Quaternion Quaternion::operator*(float scalar)
|
Quaternion operator*(const Quaternion& quat, float scalar)
|
||||||
{
|
{
|
||||||
return Quaternion(w * scalar, x * scalar, y * scalar, z * scalar);
|
return Quaternion(scalar * quat.w, scalar * quat.x, scalar * quat.y, scalar * quat.z);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator*(float scalar, const Quaternion& quat)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return quat * scalar;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator*(const Quaternion& quat, double scalar)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return Quaternion(scalar * quat.w, scalar * quat.x, scalar * quat.y, scalar * quat.z);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Quaternion operator*(double scalar, const Quaternion& quat)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return quat * scalar;
|
||||||
|
}
|
||||||
} // namespace math
|
} // namespace math
|
||||||
} // namespace sta
|
} // namespace sta
|
||||||
|
|
||||||
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